随着移动端通信设备的不断增长和未来多元化通信方式的普及，以信息产业为重要推动力量的新一代科学技术革命正在悄悄走近人们的生活。“万物互联”、“智慧城市”、“融合通信”等新概念的兴起，结合云计算、边缘计算、智能感知通信一体化等多种融合业务服务的不断发展，移动端及无线网络数据流量呈现爆炸式增长，对下一代（6G）无线通信网络提出了更高的要求。

然而，目前的射频无线通信频谱资源几近枯竭，无法支撑超高速率、超低时延的需求，因此全频谱接入是必由之路。其中，可见光通信使用频谱范围在 380-780 nm 之间的可见波段，具有丰富的频谱资源，且具有成本低廉、绿色环保、可靠性高，以及无电磁干扰等优点，在“空天地海”各个空间维度中展现出广阔的应用场景，已成为国内外热点研究问题[1-3]。

顾名思义，可见光通信是通过将信号加载到光源上，通过探测光的强度、相位、偏振等物理性质的变化，从而实现信息的传输。目前关于可见光通信的研究主要集中于直接调制 - 强度检测系统。图 1 展示了典型的可见光通信系统的基本架构。

                   图1 可见光通信系统基本架构
可见光通信系统主要由发射和接收两部分构成。发射部分包括电信号处理模块，用于信息编码、信号调制、预均衡，以及发射光源的驱动电路。发射光学部分包括发射光源芯片及发射光学天线。经过发射光学天线准直后，光线经过传输信道，到达接收端。接收光学天线用于将光线汇聚到探测器上，探测器用于实现信号的光 -电变换。接收的电学部分将对接收信号进行后均衡、解调、解码等处理。通过采用先进的数字信号恢复和均衡算法，来消除系统损伤和噪声的影响，最后对接收信号进行解调和解码，以恢复出原始发射信号。

在本文中，我们将具体介绍可见光通信系统的关键技术，并针对面向 6G 的高速可见光通信应用展开具体的讨论。最终对可见光通信产业化应用前景进行展望。

可见光通信关键技术

图 2 为可见光通信前沿研究脉络图，其中包括材料器件、调制编码、信号处理、异构组网等方面。材料器件包括发射器件与探测器调制编码包括几何整形、概率整形和先进调制格式；信号处理包括预均衡、后均衡技术和基于机器学习的信号处理；异构组网包括 LED 组网、可见光 - 光线接入网组网，以及可见光与大有效面积光纤传导等。

                     图2 可见光通信前沿研究脉络
关于发射光源，LED 和激光器是可见光通信系统常用的光源。其中 LED 通过自发辐射原理发光，为非相干光源，调制带宽较窄，但是发散角大，适合动中通；而激光器通过受激辐射原理发光，带宽较高，可以支持高速远距传输，但是需要精密对准。两种光源各有特色，适用于特殊的应用场景。此外还包括 SLD 等。图 3(a) 为超晶格结构硅基 LED 垂直结构示意图，基于多基色超晶格 LED 芯片，实现了 24 Gbit/s 高速可见光通信系统[4][5]。

                          
图3 （a）超晶格硅基 LED 垂直结构（b）多基色 LED 阵列芯片（c）传输速率[4]

关于探测器，常用的探测器包括 PIN 和 APD 图像传感器三种，一般 PIN 和 APD 多用于高速可见光通信系统，而图像传感器可以用于低速多输入多输出可见光通信系统中。根据半导体 PN 结的性质，LED 也可以作为探测器使用。如图 4(a) 所示，为基于硅基 μLED 的 μPD 阵列结构。该阵列由 4×4 尺寸为 50 μm 的 μLED 组成。我们将其作为探测器，以 450 nm 的蓝色激光器作为发射，实现了 8.2 Gbit/s 的高速传输。这一成果为未来高速可见光收发阵列奠定了基础[6]。

                  
图4 （a）基于硅基 μLED 的 μPD 阵列结构（b）传输速率[6]

目前，可见光通信仍面临一些挑战，如图 5 所示：一方面，可见光波段发射接收器件商业化程度低，或商业化产品并非针对通信专门设计，在调制带宽、转换效率和灵敏度方面还远远不及射频、红外；另一方面，目前针对高速可见光通信系统的研究局限于点对点视距链路，大规模组网将对可见光通信对提出新的挑战；此外，LED还存在很强的非线性效应，将引起信号失真。因此，研究高效、高灵敏的阵列收发器件，与人工智能赋能的先进信号处理算法，将是未来可见光通信关键技术发展的重要方向。

                     
图5 可见光通信面临的挑战（a）带宽限制（b）低灵敏度（c）非线性效应

高速可见光通信的应用

未来可见光链路将广泛地存在于 6G 网络中，起到连接包括空天地海在内多个领域的通信网络作用[7]（图 6）。下面主要介绍星基网络（星间、人造卫星与地面链路），陆基网络（车联网、室内可见光网络）和海基网络（水下载具间联网、跨介质通信）中的可见光通信。

图6 可见光通信链路在未来 6G 空天地海网络中的应用[7]

星基可见光通信

太空中近似真空的环境意味着信号可以在数百至数千米的距离上传输而不受阻挡。而轨道中的人造卫星就构成了这张星基网络的一个个节点 , 其中低轨卫星又是导航、遥感和通信技术设施体系的重中之重。目前国际上正在建造多个超级低轨卫星星座，包含上万颗低轨卫星。星座整体的吞吐量设计可达 Tb/s 量级。而竞争的焦点就落在了如何实现卫星间的超高速通信上。

前文中提到的激光器件因其传输距离长、信道容量大，受到目前星基网络高速通信的青睐。但是如今部署在卫星的激光器件大多为红外激光器。可见光比之于红外波段，其波长更短，而这意味着可见光器件有着更为优越的束散角。以 450 nm 蓝光激光器为例，其波长是 1550 nm 红外激光的 1/3.5，故在相同的天线口径下光束束散角也仅为后者的 1/3.5。这意味着同样的发射功率和信道容量下可见光器件的传输距离更远。

同时，由于可见光激光器所使用的 GaN 器件使用了宽禁带半导体，其功率是红外激光器的 60-120 倍。宽禁带还意味着更强的抗干扰能力。可见光激光器件位移阈值能量是红外器件的两倍，抗辐照强度比红外器件高出三个数量级。而目前欧美日等国家和地区都已启动可见光卫星的相关研究，但是都还处在初步阶段。我国需要抓住这一机遇，利用可见光频段的优势构建自主的天地一体化信息网络。

陆基可见光通信

地面作为绝大多数人口居住和生活的位置，往往需要完成信息传输的“最后一公里”。利用LED 器件的照明能力，可以将照明设施和通信设施整合，从而大大拓宽网络的信道容量，尤其是室内的通信情景。同时，常见的射频通信手段存在诸如隐私性或者电磁泄漏等方面的问题，在保密要求较高的场合或者医院、矿山等场所无法使用。但是可见光通信就可以满足这一类情景下的要求，用于搭建安全、高速、环保的通信链路。同时，如果将城市照明系统、车辆照明系统和通信系统深度融合，还能组建庞大的车联网系统，打造未来的“智慧城市”。

目前路基可见光通信在室外长距离通信的应用上还存在不少限制。由于信号在自由空间中传播，并且可见光信号绕射能力弱，只能实现视线（LoS）传播。除了物体遮挡外，大气湍流、降水、雾等天气条件会劣化信号[8][9] ，并且有可能因折射引发多径效应。此外，白天中自然光（如日光）会带来较为强烈的背景噪声。LED 可见光通信系统受限于其直调直检的调制解调方式，在背景亮度较高的情况下接收机会产生饱和，并且在背景亮度剧烈变化时（如多云天气、日照角度变化等）器件的光电流变化剧烈，器件工作点发生变化。这些涉及光电转换的物理问题给室外的可见光无线通信带来了巨大挑战。

尽管如此，陆基可见光通信仍然是一个潜力巨大的应用领域。如果未来在器件、环境建模和信号处理方式上能够取得进展，从而克服上述的问题，可见光通信将成为路基网络不可或缺的一部分。

海基可见光通信

相比于太空和陆地，水下通信技术受限于水体复杂的环境和自然水体对于电磁波的强烈吸收作用，一直以来在带宽和传输距离上受到严重限制。而水下可见光通信则提供了一种中距离大容量的通信手段。由于水体对于 450-550 nm 波段的电磁波透射率较高，利用这一透射窗口，可见光可以实现 10-100 m 距离的传输链路。这一距离远远长于射频波段，而相比于水声通信，可见光信道的带宽是它的 103倍以上，达到 Gb/s 量级。

目前在如何实现水下可见光无线通信网络的这一问题上存在两条主要技术路线 , 分别将 LD器件和 LED 器件作为光源 , 正在通信速率方面展开激烈竞争。目前 LD 可以实现 12.5 m 距离上的 30 Gb/s 通信速率[3]，而 LED 目前实现了 1.2 m 上 20 Gb/s 的通信速率[4]。两条路线各有其价值——前者的优势在于束散角小、传输距离远、传输速率高。但是同样由于光束束散角小，在水下移动目标间通信时，收发对准技术难度较大；而 LED 器件正好相反，其视场角大，收发对准难度低。但是由于 LED 发光的非相干特性，同样带宽下传输距离相比低于 LD。

水下光通信技术将在多个领域中发挥重要作用：如飞机、水面舰艇浮标与水下载具间的跨介质高速通信；水下部署的传感器、无人机等集群目标的编队组网；水下无线网络和海底光缆网络实现高速接入与融合等等。在这些领域中，无论是水声还是射频通信都无法满足该情景下速率或者传输距离要求，水下光通信从而成为可以构建高速、大容量和低延时的无线通信网络的关键技术。

总结与展望

可见光通信技术是一种将照明与通信相结合的新型无线光通信技术，它可以作为无线接入的一种补充，在 6G 时代前所未有的数据传输需求的大背景下，有着广阔的应用前景。如图 7 所示。在低速率情境下，可见光通信可以用于手机通信和定位服务；在更高速率的通信情境下，可见光通信可以被用于如医疗、安全通信、数据中心等特殊领域。在短距离情境下，可见光链路可以用于室内的通信用途；而在长距离情境下，远距离目标之间的专用网络中，车辆、船只以及人造卫星间，预计都会有可见光通信的身影。